5 Werkstofftechnik
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Eingeladener Vortrag
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Der Vortrag gibt eine Einführung in die Methode der Vakuumheißextraktion und beschreibt die Anwendungsmöglichkeiten der an der BAMN betriebenen Anlage.
Although the slow crack growth in glass is dominated by stress-corrosion phenomena, it also should reflect the underlaying intrinsic fracture behavior controlled by glass chemistry and structure. To investigate such underlaying phenomena, crack growth velocity in alkali silicate glasses was measured in vacuum across 10 orders of magnitude with double cantilever beam technique. Measured and literature crack growth data were compared with calculated intrinsic fracture toughness data obtained from Young’s moduli and theoretical fracture surface energy. Data analysis reveals slight correlation with the packing density and significant deviations from the intrinsic brittle fracture behavior. These deviations do not follow simple compositional trends. Two opposing processes may explain this finding: a decrease in the apparent fracture surface energy due to stress-induced chemical changes at the crack tip and its increase due to energy dissipation during fracture.
The aim of a fractographic investigation is the evaluation of macroscopic and microscopic fracture surface characteristics and, as a result, the determination of the fracture mechanism of a component from a failure case. The basis for such evaluations of fracture characteristics comes from actual comparative mechanical testing and from the literature. A fractographic analysis can be very complex and, in any case, requires considerable experience. In the IGF project "iFrakto", software is being developed that quantitatively determines fracture characteristics and fracture mechanisms utilizing digitized expert knowledge, machine learning, and standard 2D and topographical data from SEM imaging. Topographical data are obtained from 4QBSE detector using shape-from-shading technology. In the medium term, a software tool should provide knowledge-based suggestions for the evaluation of fracture surfaces in real time during SEM work or at subsequent evaluation. As a basis for this, round robins were carried out among fractographers in order to create a knowledge base, to query the practice-relevant requirements for such tools and to carry out first practical tests. Actual results are presented and the relevance of the evaluation strategy is evaluated.
Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.
The manufacture of sintered glasses and glass-ceramics, glass matrix composites, and glass-bounded ceramics or pastes is often affected by un-expected gas bubble formation also named foaming. Against this background, in this presentation the main aspects and possible reasons of foaming are shown for completely different glass powders: a barium silicate glass powders used as SOFC sealants, and bioactive glass powders using different powder milling procedures.
Sintering and foaming were measured by means of heating microscopy backed up by XRD, differential thermal analysis (DTA), vacuum hot extraction (VHE), optical and electron microscopy, and infrared spectroscopy, and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS).
Different densification was reached followed by significant foaming starting partly immediately, partly at higher temperature. Foaming increased significantly as milling progressed. For moderately milled glass powders, subsequent storage in air could also promote foaming. Although the milling atmosphere significantly affects the foaming of uniaxially pressed powder compacts sintered in air.
VHE studies show that foaming is driven by carbon gases and carbonates were detected by Infrared spectroscopy to provide the major foaming source. Carbonates could be detected even after heating to 750 °C, which hints on a thermally very stable species or mechanical trapping or encapsulating of CO2. Otherwise, dark gray compact colors for milling in isopropanol indicate the presence of residual carbon as well. Its significant contribution to foaming, however, could not be proved and might be limited by the diffusivity of oxygen needed for carbon oxidation to carbon gas.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) ist ein weit verbreitetes Material für Transportbehälter, die oft für eine längere Nutzungsdauer vorgesehen sind. Insbesondere in diesem Fall können mikroskopische Schäden im Material auch weit unterhalb der Streckgrenze auftreten, die durch eine Spannungskonzentration verursacht werden, deren Ursprung in intrinsischen Materialfehlern oder äußeren Kratzern liegt. Mit fortschreitender Schädigung bilden sich Rissstrukturen, die von verstreckten Fibrillen aufgespannt werden, bis es zum Versagen dieser Fibrillen kommt und sich der Riss ausbreitet. Dieser Schadensmechanismus des langsamen Risswachstums kann durch eine Vielzahl von Umgebungsmedien beschleunigt werden und wird dann als "environmental stress cracking" (ESC) bezeichnet. Eine international normierte Methode zur Validierung der Spannungsrissbeständigkeit von PE-HD Materialien ist der „Full Notch Creep Test“ (FNCT).
Anhand von Bruchflächenauswertungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie, werden die typischen Schädigungsstrukturen des ESC sichtbar. Die fibrillierten Strukturen des ESC auf der Bruchfläche von PE-HD ergeben sich besonders bei oberflächenaktiven wässrigen Umgebungsmedien. In Lösungsmittel-Umgebungsmedien, im Zusammenspiel mit PE-HD, kommt es aufgrund der plastifizierenden Wirkung zur Herabsetzung der Streckspannung und Bruchflächen aus dem FNCT veranschaulichen keine signifikanten Anzeichen des Schädigungsmechanismus ESC.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with laser light into the volume of a ceramic powder compound its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP) for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.